內陸核電廠污染物濃度擴散研究

徐 美，王樹鑫，谷 鑫

（1.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046；2.北京勘測設計研究院有限公司，北京 100000）

水資源是人類生存和發展不可或缺的自然資源與戰略儲備資源，目前我國約2/3城市缺水，人均水資源量僅是世界的28%，對水資源亟需。水資源短缺且時空分布不均的狀況已嚴重制約我國的發展[1]。目前我國仍是一個以火電為主的國家，而火電的發展已不能滿足現在這種“環境與經濟友好發展”的形勢，相比火電、水電、風力發電、太陽能發電等各類新能源，核電具有低碳環保、可靠性高、成本低等優點，正好滿足“環境與經濟友好發展”的大形勢。

2007年，我國提出未來我國核電特別是內陸核電發展的目標。《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》[2]也提出在確保安全的基礎上高效發展核電。針對內陸核電的科學布局，提出“十二五”時期只在沿海地區安排少量且通過充分驗證的核電項目廠址，不安排內陸核電項目[3]。進入“十三五”后，內陸核電項目逐步開啟，但其建設問題同樣引起了大眾的廣泛關注[4]。Isabel C.Azevedo等[5]研究了不同水流流動狀態對葡萄牙杜若河口核污染物擴散的影響；Sandy M.Y.NG等[6]提出了由GIS和三維水動力、泥沙和重金屬運輸的集成模型，可以動態模擬水流變化和核污染物的擴散過程，并可以很好地用于實例計算。研究成果也將會對內陸核電項目的建設及國家對放射性排放物標準的制定具有參考意義。

1 數學模型

水在自然界中的流動是沿著三維空間運動，即水流在x，y，z方向的流速均有變化，三維數學模型計算復雜，一般為了計算簡便，將水流的運動特性用一維研究[7]。本文采用水動力學方程組，其控制方程如下[8]。

連續性方程：動量守恒方程：

湍流動能方程：

湍流耗散率方程：

2 數值模擬結果

2.1 水文條件

P河多年平均流量為517 m3/s，最枯流量為62.3 m3/s，河寬約80-320 m，最窄處僅為40 m，水深為2.36 m，流速為0.4 m/s，河流坡度為0.56%，P河最大彎曲系數1.25＜1.39，寬深比為25.8，P河為寬淺型。

核電廠排放核污染物元素種類很多，其中最難控制是元素3H的排放量，因此選取元素3H進行計算，模擬3H在P河下游1 km處的濃度變化。3H一般在核電廠排放的污水中，半衰期為12.28 a，在計算模擬時通常不計其自身衰變和泥沙吸附的影響[9]。P河3H起始濃度見表1。

表1 AP1000核電機組放射性流出物排放量與GB 6249—2011控制值比較

2.2 P河1 km處數值模擬結果

根據AP1000設計控制文件中3H年排放總量為3.74×1013Bq/a，假設全部以液態形式排放，忽略上下游對排放口的稀釋影響。P河整體流場如圖1所示，P河下游1 km處濃度結果如圖2所示。

圖1 P河整體流場

圖2 P河1 km處濃度結果

3 解析法預測模擬

3.1 解析法模型計算

根據HJ 2.3—2018《環境影響評價技術導則地表水環境》[10]選取預測模型。低放射性核污水排放到P河內，核污水與河水混合段嚴格按照導則選擇預測模型[11]。將核電廠排放污水口看作岸邊連續排放點，3H進入P河后，在最不利情況下與河水進行垂向混合，考慮岸邊反射影響。利用環境影響評價導則中算法進行計算。

混合過程段是從污水排放口開始到下游充分混合斷面之間的河段，其長度可由式（6）估算：

其中：Lm為混合過程段長度，m；B為水面寬度，m；a為排放口離岸邊的距離，m；u為斷面水流流速，m/s；Ey為3H橫向擴散系數，m2/s。

在預測河流中放射性核素濃度時，預測點位于混合過程段時需采用二維連續穩定排放模式見式（7）：

其中：C（x，y）是縱向距離x、橫向距離y的點3H濃度，Bq/m3；Ch為河流上游3H濃度（因不考慮上下游影響，故此處為0），Bq/m3；h為平均水深，m；m為3H排放速率，取值25 Bq/s；k為3H綜合衰減系數，1/s。

3.2 模型參數確定

3H在河流里橫向擴散系數Ey采用泰勒法求取見公式（8）：

其中：g為重力加速度，取值9.8 m/s2；I為水面坡度，無量綱系數。

由公式（8）可知P河枯水期3H的橫向擴散系數Ey為0.143。

考慮核素具有明顯衰減特征，需要對該特性進行衰減系數設定，核素綜合衰減系數k按照式（9）計算：

3.3 3H濃度下游1 km處結果

由公式（6）計算核污水在P河混合過程段長度為4.5 km。此次計算應采用穩態混合模式對排放口下游1 km處受納水體造成的放射性濃度進行估算。為了保守估算，排放泵按照流量23 m3/s進行排放，采用式（7）進行計算。經4臺AP1000機組正常工作排出核廢水在污水口下游1 km距離岸邊40 m處3H放射性濃度約為86.2 Bq/L，疊加本底值0.08 Bq/L，其水體中的總3H放射性濃度86.28 Bq/L，低于《核動力廠環境輻射防護規定》和《核電廠放射性液態流出物排放技術要求》兩項標準中的1 Bq/L的限值。

4 兩次模擬結果對比分析

兩次模擬方法僅考慮受納水體與岸邊的影響，但實際核電廠放射性液態流出物排入受納水體時需經過一系列復雜的物理和化學作用后才可能與水體達到一個平衡的狀態，而核素大多留在受納水體中，只有少部分沉積到底部泥土中，本次模擬時未考慮核素的沉積作用假設核素全部存在于水體中。在數值模擬結果中，通過流場我們可以看出因河道的影響導致在P河尾部造成3H的部分淤積導致在P河尾部濃度分布不均勻。通過數值模擬導出的結果在P河下游1 km斷面處平均值在78.5 Bq/L。而依據HJ 2.3—2018《環境影響評價技術導則地表水環境》中解析法預測模型計算結果為P河1 km處距岸邊40 m處3H濃度為86.28 Bq/L，通過圖3的對比可以清楚看到兩者在P河下游1 km處預測結果相差不大，可認為此次模擬結果可信，后續將對實測資料進行整理分析得到可靠真實的模擬結果。

核電廠放射性液態流出物通過對受納水體的稀釋與核素自身衰變影響，核污水排放口下游1 km處完全滿足環境保護部頒布的核電廠放射性污水排放的兩項標準3H濃度小于100 Bq/L的規定，不會影響下游居民飲用水的水質。根據多個內陸核電廠的劑量濃度估算結果顯示：核電廠液態放射性流出物對人體的劑量貢獻是有限的，遠低于國家標準劑量約束值0.25 mSv/a。根據IAEA NO.19報告可計算出氚最大濃度：

其中：C為水體中放射性核素活度濃度，Bq/L；E為放射性核元素對個人有效的劑量標準，mSv/a；Fd為成年人食入某種放射性核素的劑量轉換系數，mSv/Bq；Q為成年人攝入飲用水的容積，L/a。

氚在淡水中的劑量轉化系數為1.8×10-8mSv/Bq。若假設成年人每年需攝入730 L飲用水，據式（10）則可計算出氚最大濃度為1.903×104Bq/L。而兩種方法模擬的結果值都遠遠小于最大氚濃度值。

5 結論

通過研究內陸核電廠排放的3H放射性廢液在受納水域的濃度擴散得出以下結論：

（1）通過數值模擬導出的結果在排放口下游1 km斷面處平均值約78.5 Bq/L。解析法預測模型計算結果為P河下游1 km斷面距岸邊40 m處3H濃度為86.28 Bq/L，兩次濃度結果相差不大，可認為污染物濃度擴散模擬相對準確，后續也將對實測資料進行整理分析得出真實可靠的模擬結果。

（2）河流為恒定流動且廢水連續穩定排放，測算結果表明此方法判斷依據簡單可行，預測模型科學合理。

（3）其排放口下游1 km處完全滿足環境保護部頒布的兩項標準3H濃度小于100 Bq/L的規定，所以核電廠的放射性液態流出物經過1 km的不斷稀釋向下游擴散后的濃度對公眾的影響較小。